管殼式換熱器強化傳熱技術的途徑及應用

王小翠（阿爾斯通（武漢）工程技術有限公司，湖北武漢 430205）

管殼式換熱器強化傳熱技術的途徑及應用

王小翠
（阿爾斯通（武漢）工程技術有限公司，湖北武漢 430205）

從傳熱公式出發，分析了管殼式換熱器傳熱強化的主要途徑；從強化傳熱的原理出發，介紹了管殼式換熱器強化傳熱技術的發展方向及常見應用。

管殼式換熱器；強化傳熱；總傳熱系數

強化傳熱可以大幅度提高換熱器的效率，即在保證設備傳熱量不變的情況下使其結構更加緊湊，節約材料，降低成本，節約能源，同時滿足設備安裝空間有限等特殊要求。其中，管殼式換熱器由于其適用性廣、處理能力大、結構簡單、清洗方便、能適應高溫高壓等特點，一直是石油、化工、核電等行業應用最普遍的一種換熱器。如制氫裝置中高溫氣體（T=～1000℃，P=～10MPa）的冷卻器多為管殼式[1]，核電系統中應用最廣的換熱器也為管殼式，因此，在設計過程中如何最大程度的有效利用強化傳熱技術，顯著改善管殼式換熱器傳熱性能，是設計人員應該關注的重點。

1　根據傳熱方程分析強化傳熱的途徑

根據總傳熱方程：

可知，強化傳熱的途徑有提高總傳熱系數K、擴展傳熱面積A和加大對數平均溫差△tm。

1.1提高傳熱系數K

提高總傳熱系數是強化傳熱過程的積極措施，根據總傳熱系數計算公式：

式中，h1、h2分別為殼程對流換熱系數、管程對流換熱系數，顯而易見，總傳熱系數會隨著h1、h2的增大而增大，設計中，通常通過加大雷諾數Re，增加管程或殼程數，增加折流板等方法試算。另外，根據反復驗算易知，當h1＜h2時，h1增大，K值會顯著增大，直至h1=h2，這時，如果公式中h1繼續增大，K值增大的速度越來越慢，后來，幾乎不在增加。因此，當h1、h2兩者差別較大時，我們在設計過程中應考慮如何增大小者，而當兩者差別不大時，應設法同時提高兩側的對流換熱系數，否則，應考慮其他途徑。

式中，r0、ri分別是殼程污垢熱阻和管程污垢熱阻，從公式中可以看出，要擴大傳熱系數，當污垢熱阻較大時，可以設法減小殼程或管程的熱阻。特別應盡量減小兩者中的較大者。在換熱器使用過程中，污垢熱阻不是一個固定值。在設備前期投入使用時，換熱管內外清潔度都較高，污垢熱阻較小。但隨著使用年限的增加，污垢逐漸吸附在傳熱面上，成為降低傳熱效率的主要因素。因此，可通過加大流體流速（流速增大的同時壓降會顯著增大，需保證流速提高的同時壓降仍然在許可范圍內）、保證管壁材料的光潔度以及保證必要的清洗頻率，以此延緩污垢的形成或使污垢清洗方便等措施降低殼程污垢熱阻和管程污垢熱阻。

1.2擴展傳熱面積A

必須強調擴展傳熱面積并不是簡單靠增大換熱器的尺寸來實現，而是要從設備的結構入手，合理地提高設備單位體積的傳熱面積，如在設備壓降滿足要求的前提下減小換熱管管徑，相同重量的換熱管，管徑越小換熱面積越大，同時也可以改進傳熱面的結構，如通過軋制、沖壓等成型工藝將換熱面加工成凹凸狀、波紋型等代替傳統的光管。

1.3加大對數平均溫差△tm

對數平均溫差主要由冷熱兩種流體的進出口溫度所決定，可以從結構上采用逆流的方式或接近于逆流的流動排布型式以得到較大的△tm。

另外，在條件允許的情況下，盡量提高熱流體的溫度，降低冷流體的溫度，如果加熱流體是飽和水蒸氣，我們可以設法通過提高蒸汽壓力來增大飽和蒸汽的溫度，從而提高對數平均溫差；但實際操作中，在加大對數平均溫差時不能單一盲目的追求對數平均溫差的增加，應兼顧整個系統的經濟性。

2　常見強化傳熱技術的實際應用

2.1管側強化傳熱

管側強化傳熱主要是異型強化傳熱管的研究，通過改變傳熱面的形狀，擴大傳熱面積強化管程傳熱，用強化管代替原用的光滑管是一種行之有效的方法，常見的強化傳熱管有螺旋槽紋管、橫紋管、螺紋管、表面多孔管、縮放管、波紋管等。實現高效換熱管結構和制造技術的簡單化，降低成本，是推廣各種高效換熱管的前提，也是管側強化傳熱的發展方向。

（1）螺旋槽紋管，亦稱螺旋槽管。螺旋槽紋管是一種優良的凹凸的螺旋形槽的高效異形強化傳熱管件，螺旋槽紋管與其他強化管相比，具有易于制造、結垢少及較好的傳熱性能等優點。

（2）螺紋管。螺紋管一般是由鋼管經環向滾壓軋制而成的整體低翅片管，其螺紋狀的低翅片與管子構成一體，外表面是螺旋形的凹槽，內表面是螺旋形的凸起。鄭州大學對結構尺寸相同的光管和外螺紋管換熱器在相同條件下進行換熱實驗，結果表明，外螺紋管換熱器可比光管換熱器提高總傳熱系數10%～17%。

2.2殼側強化傳熱

傳統換熱器使用最普遍的殼程結構是弓形折流板式換熱器，其結構簡單，加工容易，但阻流與壓降大，換熱效率較低，現在許多實際應用中已被下述換熱器逐漸取代。

（1）螺旋折流板式換熱器。它具有連續的螺旋曲面，在折流時，流體處于近似螺旋流動狀態。相比于弓形折流板，在相同工況下，總傳熱系數可提高約1/4，在相同熱負荷下，大大減小換熱器尺寸。

（2）折流桿換熱器。折流桿換熱器不同于常規的垂直弓形板換熱器，它是用折流桿取代折流板固定管束的支承結構，這種獨特的設計，殼程阻力損失比常規弓形折流板換熱器減少30%左右，同時可以有效克服管束振動，它也沒有傳統板式支承結構死角引起的腐蝕，從而延長設備使用壽命。

3　結束語

一直以來，人們對于如何提高管殼式換熱器的強化傳熱根據各自的經驗與分析進行大量的研究，綜上所述，在強化傳熱實現的同時往往流動阻力會迅速增加，制造工藝難度會加大，因此，強化傳熱也不能簡單只關注換熱效率的加強，強化傳熱應權衡利弊，綜合考慮設備利用率、節約能源、滿足特殊工藝等要素，從而獲得經濟合理的強化傳熱方案。

Shell and Tube Heat Exchanger Heat Transfer Enhancement Technology Ways and Application

Wang Xiao-cui

From the heat transfer equation，the analysis of the main ways Shell and Tube Heat Exchanger enhanced；departure from the principle of heat transfer enhancement introduces shell and tube heat exchangers to strengthen the development direction of heat transfer technology and common applications.

shell and tube heat exchanger；heat transfer enhancement；the overall heat transfer coefficient

TK172

B

1003-6490（2016）03-0060-02

2016-03-18

王小翠（1983—），女，貴州遵義人，工程師，主要從事化工設備設計工作。